激光雷达解析、反演、可视化程序

• 设备说明： Raymetrics LR111-D300型激光雷达是一种主动式激光遥感仪器，旨在提供丰富的大气信息，包括气溶胶负荷、PBL混合高度、火山灰的明确识别和灰层高度。该系统还可以升级到探测水蒸气，允许进行远程湿度剖析（仅在夜间）。为气象和航空应用而设计，其规格是根据英国气象局和EARLINET（欧洲激光雷达网络）的要求确定的，使LR111-D300可能成为商业上最强大的眼球安全气溶胶激光雷达。

• 产品参考链接：引用日期2021-05-06

• 数据格式 产品数据格式为标准Licel格式即ascii格式文件头binary数据块。

   RM2173122.131155                                                             
   full     31/07/2021 22:12:11 31/07/2021 22:13:11 0110 113.5696 22.1657 -90.0 0.0 29.8 986.7
   0001201 0020 0001201 0000 06                                                 
   1 0 1 16230 1 0820 7.50 00355.p 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT0               
   1 1 1 16230 1 0820 7.50 00355.p 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC0              
   1 0 1 16230 1 0900 7.50 00355.s 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT1               
   1 1 1 16230 1 0900 7.50 00355.s 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC1              
   1 0 2 16230 1 0800 7.50 00387.o 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT2               
   1 1 2 16230 1 0800 7.50 00387.o 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC2              
   # 空行
   #以下开始是二进制数据块
  

   第1行（文件名）：RMyyMddhh.mmssmsms
  
   第2行（站点信息）：
   站点名 开始时间 结束时间 海拔(m) 经度 纬度 天顶角 方位角 地表温度（℃）地表气压（hPa）
  
   第3行（发射器信息）：激光器1发射次数 激光器1重复频率 激光器2发射次数 激光器2重复频率 数据集个数
  
   第4~6行：各数据集信息采集信息
   [1 0 1] 			数据是1/否0存在 模拟0/光子1计数模式 激光器1/2
   [16230]				数据bins
   [1]					固定值
   [0820 7.50 00355.p] PMT高电压值 bin宽度(m) 激光波长和极化方式(o-无极化；s-垂直；p-平行)
   [0 0 09 000]		向后兼容性
   [12 001201]			模拟数据集ADC位数，否则为0 拍摄次数
   [0.100] 			模拟数据集，以mVolt为单位的输入范围；光子数据集，鉴别器级别
   [BT0]				数据集描述和瞬时记录器编号，BT=模拟数据集，BC=光子数据集，
  

  数据集描述后跟一个额外的 CRLF。数据集是 32 位整数值。数据集由 CRLF 分隔。最后一个数据集后面是 CRLF。这些 CRLF 用作标记，可用作文件完整性的检查点。

• 设备通道信息

  通道数	波长	极化方式	信号记录方式
  通道1	355	p	BT
  通道2	355	p	BC
  通道3	355	s	BT
  通道4	355	s	BC
  通道5	387	o	BT
  通道6	387	o	BC

• 1级： 距离修正后的回波信号
• 2级： 气溶胶后向散射系数廓线、气溶胶消光系数廓线、退偏比廓线、色比廓线
• 3级： 浓度等其他参数

• 大气边界层高度
• 气溶胶光学厚度
• 云底、云高
• 其他

• 距离修正后的回波信号： 对环境监测激光雷达探测得到的数据进行二进制读取(bin_data)、通道拼接(channel_data)、雷达信号计算(raw_data)、 几何因子修正(overlap_correct)、背景噪声去除(background_correct)、平滑(smoothing)和距离平方修正(dis_correct)后得到的信号(rcs)。

• 气溶胶后向散射系数廓线/气溶胶消光系数廓线： 根据估计的分子后向散射系数(bate_mol),基于Fernald方法进行雷达方程求解得到气溶胶后向散射系数(beta_aero)。根据雷达比(lidar_radio)和beta_aero得到气溶胶消光系数(extin_aero)

• 退偏比廓线： 取532mn的垂直后向散射强度和平行后向散射强度之比，结果即为退偏比(dr)。

• 色比廓线： 不同波长的后向散射强度之比：

• 颗粒物浓度廓线： 通过气溶胶消光系数廓线，以退偏比廓线为辅助，通过poliphon1阶和2阶算法反演得到。

• 边界层高度： 重力波梯度演算法（专利号 CN 103135113 B） 对每一距离订正回波信号，开三次方后求其梯度，梯度最小值所对应的散射目标高度即为大气边界层高度(pbl)，具体如以下公式所示： $$h_{CRGM}=min⁡[(\frac{∆(RCS)^{(1/3)}}{∆R}]$$ 其中，RCS为距离订正回波信号；R为该回波信号对应的散射目标高度

• 气溶胶光学厚度： 将消光系数随高度进行积分，就能够得到气溶胶的光学厚度（AOD）。

• 云底、云高： 阈值法判断当前时刻是否有云进而计算云底(cloud_bottom)、云高(cloud_top)。

*其中，大气边界层高度和云高等产品主要是基于定性处理，糈度高：气溶胶后向散射系数廓线、气溶胶消光系数廓线、颗粒物浓度廓线、气溶胶光学厚度等产品主要是基于定量处理，糈度较低：

激光雷达反演的误差来源，主要在于一个方程（激光雷达信号方程）解两个未知数（大气气溶胶的消光系数和后向散射系数均为未知）。在反演时，一般假设大气气溶胶的消光系数和后向散射系数两者比值固定（称为激光雷达比）。 应用Fernald法后向反演激光雷达方程时，需要先确定3个参数：激光雷达比、定标高度（后向反演的起始高度）以及该高度处的大气气溶胶消光系数。

• 激光雷达比 气溶胶的激光雷达比与气溶胶粒于的折射率、尺寸、形态和组成等诸多因素有关，而实际气溶胶葙子的尺寸、形态、组成、折射率等参数的差异很大，因此难以确定气溶胶激光雷达比。实际反演消光系数时，人们通常依据不同参考条件来确定大气气溶胶的激光雷达比值，例如有文献指出，火山爆发后大量气溶胶进 人平流层，此时大气气溶胶的激光雷达比分别取40（6 ~ 15km)，22（15 ~ 20km），40（20 ~ 25km）和43（25 ~ 30km），对处于背景期的平流层气溶胶和对流层气溶胶，激光雷达比的参考值可以设置为50。